Proizvodnja čipova danas je najsloženiji proces u svijetu. Ovo je složen proces koji su završile mnoge vrhunske tvrtke. Ovaj članak nastoji sažeti ovaj proces i dati sveobuhvatan i opći opis ovog složenog procesa.
Postoji mnogo procesa proizvodnje poluvodiča, a kaže se da postoje stotine ili čak tisuće koraka. Ovo nije pretjerivanje. Tvornica s investicijom vrijednom milijardu dolara može obaviti samo mali dio procesa. Za tako složen proces, ovaj će članak biti podijeljen u pet glavnih kategorija za objašnjenje: proizvodnja pločica, fotolitografija i jetkanje, ionska implantacija, taloženje tankog filma te pakiranje i testiranje.
1. Proces proizvodnje poluvodiča - proizvodnja pločice
Proizvodnja vafla može se podijeliti u sljedećih 5 glavnih procesa:
(1) Povlačenje kristala
◈ Dopirani polisilicij se topi na 1400 stupnjeva
◈ Ubrizgajte inertni plin argon visoke čistoće
◈ Stavite "sjeme" monokristalnog silicija u talinu i polako ga okrećite kada se "izvuče".
◈ Promjer monokristalnog ingota određen je temperaturom i brzinom ekstrakcije
(2) Rezanje vafla koristi preciznu "pilu" za rezanje silikonskog ingota u pojedinačne vafle.
(3) Lapiranje oblati, jetkanje
◈ Narezane oblatne mehanički se melju pomoću rotirajućeg mlina i suspenzije glinice kako bi površina oblatni bila ravna i paralelna i smanjili mehanički nedostaci.
◈ Ploče se zatim urezuju u otopini nitrirane kiseline/octene kiseline kako bi se uklonile mikroskopske pukotine ili površinska oštećenja, nakon čega slijedi niz RO/DI vodenih kupki visoke čistoće.
(4) Poliranje i čišćenje vafla
◈ Zatim se pločice poliraju u nizu kemijskih i mehaničkih procesa poliranja koji se nazivaju CMP (Chemical Mechanical Polish). ◈ Proces poliranja obično uključuje dva do tri koraka poliranja koristeći sve finije kaše i međučišćenje korištenjem RO/DI vode. ◈ Završno čišćenje provodi se pomoću otopine SC1 (amonijak, vodikov peroksid i RO/DI voda) za uklanjanje organskih nečistoća i čestica. Zatim se HF koristi za uklanjanje prirodnih oksida i metalnih nečistoća, i konačno SC2 otopina omogućuje ultra čistim novim prirodnim oksidima da rastu na površini. (5) Epitaksijalna obrada pločice
◈ Epitaksijalni rast (EPI) koristi se za rast sloja monokristalnog silicija iz pare na monokristalni silicijski supstrat na visokim temperaturama.
◈ Proces rasta sloja monokristalnog silicija iz parne faze naziva se parna faza epitaksije (VPE).
SiCl4 + 2H2 ↔ Si + 4HCl
SiCl4 (silicijev tetraklorid)
Reakcija je reverzibilna, tj. ako se doda HCl, silicij će se izrezati s površine pločice.
Druga reakcija stvaranja Si je nepovratna: SiH4 → Si + 2H2 (silan)
◈ Svrha rasta EPI je formiranje slojeva s različitim (obično nižim) koncentracijama električno aktivnih dopanta na podlozi. Na primjer, sloj N-tipa na pločici P-tipa.
◈ Oko 3% debljine oblatne.
◈ Nema kontaminacije naknadnih struktura tranzistora.
2. Proces proizvodnje poluvodiča - fotolitografija Stroj za fotolitografiju, koji se dosta spominje posljednjih godina, samo je jedan od mnogih procesnih uređaja. Čak i fotolitografija ima mnogo procesnih koraka i opreme.
(1) Fotootporni premaz
Fotorezist je fotoosjetljivi materijal. Mala količina fotootporne tekućine se dodaje u vafer. Pločica se okreće brzinom od 1000 do 5000 okretaja u minuti, šireći fotorezist u jednoliku prevlaku debljine 2 do 200 um. Postoje dvije vrste fotorezista: negativ i pozitiv. Pozitivno: Izlaganje svjetlu može razgraditi složenu molekularnu strukturu, što olakšava otapanje. Negativno: izloženost čini molekularnu strukturu složenijom i težu za otapanje. Koraci uključeni u svaki korak fotolitografije su sljedeći; ◈ Očistite pločicu ◈ Nanesite zaštitni sloj SiO2, Si3N4, metal ◈ Nanesite fotootpornu ◈ Meko pečenje ◈ Poravnajte masku ◈ Grafičko izlaganje ◈ Razvoj ◈ Pecite ◈ Jetkanje ◈ Uklonite fotootpornu (2) Priprema uzorka Priprema uzorka IC dizajneri koriste CAD softver za dizajn uzorka svakog sloja. Uzorak se zatim prenosi na optički prozirnu kvarcnu podlogu (predložak) s uzorkom pomoću laserskog generatora uzorka ili elektronske zrake.
(3) Prijenos uzorka (ekspozicija) Ovdje se koristi fotolitografski stroj za projiciranje i kopiranje uzorka s predloška na sloj čipa.
(4) Razvijanje i pečenje ◈ Nakon izlaganja, pločica se razvija u kiseloj ili alkalnoj otopini kako bi se uklonila izložena područja fotorezista. ◈ Nakon što se izloženi fotootpor ukloni, pločica se "peče" na niskoj temperaturi kako bi se preostali fotootpor očvrsnuo.
3. Postupci proizvodnje poluvodiča - jetkanje i ionska implantacija (1) Mokro i suho jetkanje ◈ Kemijsko jetkanje izvodi se na velikoj mokroj platformi. ◈ Različite vrste kiselina, baza i kaustičnih otopina koriste se za uklanjanje odabranih područja različitih materijala. ◈ BOE, ili sredstvo za jetkanje puferiranog oksida, napravljeno je od fluorovodične kiseline puferirane amonijevim fluoridom i koristi se za uklanjanje silicijevog dioksida bez jetkanja temeljnog sloja silicija ili polisilicija. ◈ Fosforna kiselina se koristi za jetkanje slojeva silicijevog nitrida. ◈ Dušična kiselina se koristi za jetkanje metala. ◈ Fotorezist se uklanja sumpornom kiselinom. ◈ Za suho jetkanje, pločica se stavlja u komoru za jetkanje i jetka plazmom. ◈ Sigurnost osoblja je primarna briga. ◈ Mnoge tvornice koriste automatiziranu opremu za izvođenje procesa jetkanja. (2) Otpornost na skidanje
Fotorezist se tada potpuno skida s pločice, ostavljajući oksidni uzorak na pločici.
(3) Ionska implantacija
◈ Ionska implantacija mijenja električna svojstva preciznih područja unutar postojećih slojeva na pločici.
◈ Ionski implantatori koriste akceleratorske cijevi velike struje te magnete za upravljanje i fokusiranje kako bi bombardirali površinu vafera ionima specifičnih dodataka.
◈ Oksid djeluje kao barijera dok se doping kemikalije talože na površinu i difundiraju u površinu.
◈ Površina silicija se zagrijava do 900 stupnjeva za žarenje, a implantirani dopantni ioni dalje difundiraju u silicijsku pločicu.
4. Proces proizvodnje poluvodiča - taloženje tankog filma
Postoji mnogo načina i sadržaja taloženja tankog filma, koji su objašnjeni jedan po jedan u nastavku: (1) Silicijev oksid
Kada silicij postoji u kisiku, SiO2 će rasti toplinski. Kisik dolazi iz kisika ili vodene pare. Temperatura okoline mora biti 900 ~ 1200 stupnjeva. Kemijska reakcija koja se događa je
Si + O2 → SiO2
Si +2H2O ->SiO2 + 2H2
Površina silicijske pločice nakon selektivne oksidacije prikazana je na donjoj slici:
I kisik i voda difundiraju kroz postojeći SiO2 i spajaju se sa Si da bi formirali dodatni SiO2. Voda (para) lakše difundira od kisika, pa para raste mnogo brže.
Oksid se koristi za stvaranje izolacijskog i pasivizirajućeg sloja za formiranje vrata tranzistora. Suhi kisik koristi se za formiranje vrata i tankog oksidnog sloja. Para se koristi za stvaranje debelog sloja oksida. Izolacijski oksidni sloj je obično oko 1500 nm, a sloj vrata je obično između 200 nm i 500 nm.
(2) Kemijsko taloženje parom
Kemijsko taloženje iz pare (CVD) stvara tanki film na površini supstrata toplinskim raspadanjem i/ili reakcijom plinovitih spojeva.
Postoje tri osnovne vrste CVD reaktora: ◈ Atmosfersko kemijsko taloženje iz pare
◈ CVD niskog tlaka (LPCVD)
◈ CVD pojačan plazmom (PECVD)
Dolje je prikazan shematski dijagram niskotlačnog CVD procesa.
Glavni reakcijski procesi KVB su sljedeći
i). Polysilicon PolysiliconSiH4 ->Si + 2h2 (600 stupnjeva)
Brzina taloženja 100 - 200 nm/min
Mogu se dodati fosfor (fosfin), bor (diboran) ili arsen. Polisilicij se također može dopirati difuzijskim plinom nakon taloženja.
ii). Silicijev dioksid Dioksid
SiH4 + O2→SiO2 + 2h2 (300 - 500 stupanj )
SiO2 se koristi kao izolator ili pasivni sloj. Fosfor se obično dodaje kako bi se postigla bolja izvedba protoka elektrona.
iii). Silicij nitrid Siicon Nitride
3SiH4 + 4NH3 ->Si3N4 + 12H2
(Silan) (Amonijak) (Nitrid)
(3) Raspršivanje
Meta se bombardira visokoenergetskim ionima kao što je Ar+, a atomi u meti će se pomaknuti i transportirati do supstrata.
Metali kao što su aluminij i titan mogu se koristiti kao mete. (4) Isparavanje
Al ili Au (zlato) se zagrijavaju do točke isparavanja, a para će se kondenzirati i formirati tanki film koji prekriva površinu pločice.
Sljedeći primjer detaljno će objasniti kako se strujni krug na silicijskoj ploči formira korak po korak od fotolitografije, jetkanja do taloženja iona:
5. Proces proizvodnje poluvodiča - ispitivanje pakiranja (naknadna obrada)
(1) Ispitivanje pločice Nakon završetka konačne pripreme strujnog kruga, ispitni uređaji na pločici se testiraju pomoću automatizirane metode ispitivanja sonde za uklanjanje neispravnih proizvoda.
(2) Rezanje vafla Nakon ispitivanja sondom, vafel se reže na pojedinačne komadiće.
(3) Ožičenje i pakiranje ◈ Pojedinačni čipovi povezani su s okvirom odvodnika, a aluminijski ili zlatni vodiči povezani su toplinskom kompresijom ili ultrazvučnim zavarivanjem. ◈ Pakiranje se završava zatvaranjem uređaja u keramičku ili plastičnu ambalažu. ◈ Većina čipova i dalje treba proći konačno funkcionalno testiranje prije nego što se pošalju daljnjim korisnicima.
